DE2918347A1

DE2918347A1 - Stirlingmotor

Info

Publication number: DE2918347A1
Application number: DE19792918347
Authority: DE
Inventors: David W Barton
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1978-05-17
Filing date: 1979-05-07
Publication date: 1979-11-29
Also published as: GB2021205A; GB2021205B; JPS54158553A; SE7903004L; NL7903595A; US4214447A; CA1103941A

Description

Stirlingmotor

Die Erfindung betrifft einen Stirlingmotor, enthaltend eine Anzahl von doppelt-wirkenden Kolben und entsprechenden Zylindern, wobei jeder Kolben über eine Kolbenstange mit einer Kurbelwellenanordnung verbunden ist und die Kolben/Zylinderanordnungen an thermodynamische Kreisläufe angeschlossen sind.

Bei bekannten Stirlingmotoren-Anordnungen wird eine Kurbelwelle verwendet, wobei die Zylinder in Reihenanordnung angeordnet sind. Dadurch ist es jedoch erforderlich, im Zylinderkopfbereich des Motors komplizierte Konstruktionen vorzusehen; auch ist es schwierig, die Zufuhr von Kraftstoff zu steuern.

Auch ist bekannt, die Kolben und Zylinder in einer V-Anordnung vorzusehen, wobei die Kolbenstangen und die entsprechenden Pleuelstangen mit einer Kurbelwelle verbunden sind. Das macht jedoch erforderlich, daß die Zylinder in gleichen Abständen entlang einer Kurbelwelle angeordnet sein müssen. Das hat zur Folge, daß ein relativ großer Abstand zwischen den oberen Bereichen der Zylinder vorhanden ist, was als negativ betrachtet werden muß. Durch eine solche Anordnung

909848/0591

Sitz der Gesellschaft: Köln Registergericht Köln, HRB 84 Vorsitzender des Aufsichtsrates: Robert A. Lutz

Vorstand: Peter Weiher, Vorsitzender Waldemar Ebers Wilhelm Inden Alfred Langer - Hans-Joachim Lehmann Donald M. Shultz Stellvertretend: Hermann Dederichs Hans Wilhelm Gab Paul A. Guckel Dieter Ullsperger

Ford / US-969 / 24. April 1979

wird zudem der seitliche Raumbedarf für den Motor erhöht, wodurch sich Probleme bei der Installation eines Motors dieser Art insbesondere im Kraftfahrzeugbau ergeben.

Auch ist bekannt, Stirlingmotoren in Verbindung mit einem Taumel-Scheibenantrieb zu verwenden. Dieser Antrieb macht eine Anordnung der Kolben in der Weise notwendig, daß sich die Kolbenstangen im wesentlichen parallel zur Ausgangswelle erstrecken. Auch das bringt Schwierigkeiten bezüglich der Abmessungen des Motors und macht ihn nicht besonders geeignet für die Installation in Kraftfahrzeugen.

Es ist daher das Ziel, einen Stirlingmotor vorzuschlagen, der sowohl in der Längsrichtung als auch in einer Richtung quer dazu geringe Abmessungen aufweist und der es trotzdem erlaubt, zwecks Optimierung der thermodynamisehen Kreisläufe im Bereich der Zylinderköpfe optimale Verhältnisse zu haben. Dieses Ziel wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale erreicht.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Anwendung der Merkmale gemäß den Unteransprüchen.

Ein Beispiel aus dem Stand der Technik sowie eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik, wobei eine einzige Kurbelwelle verwendet wird;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Stirlingmotors gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine geometrische Darstellung eiiaer Draufsicht auf die

9 09848/059 1

Fore/US-969 / 24. April 1979

-/- /918347

Anordnung gemäß Figur 1; -

Fig. 4 eine geometrische Darstellung einer Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 2.

Im folgenden soll zunächst ein Stirlingmotor gemäß dem Stand der Technik beschrieben werden, wie er in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist. Eine Zylinder-Kolbenanordnung ist insgesamt mit A bezeichnet. Diese Anordnung treibt eine Kurbelwelle B an, und zwar über ein Gestänge C, das in einem Kurbelgehäuse 13 untergebracht ist. Die Zylinder-Kolbenanordnung A ist mit einer Wärmeaustauschereinheit D verbunden, die einen Wärmetauscher kopf D-I, einen Regenerator D-2 sowie eine Kühleinheit D-3 enthält. Eine externe Wärmezufuhr einheit ist mit E bezeichnet.

Zylinder-Kolbenanordnung A weist eine Reihe von Zylindern 11 auf, im vorliegenden Beispiel vier. Jeder der Zylinder besitzt eine Mittellinie 11 a_t die durch die Mittelachse 12 der Kurbelwelle B verläuft. Die Zylinder 11 sind paarweise angeordnet, jedes Paar steht in einem V-Winkel zueinander, wobei dieser Winkel im folgenden als positiv bezeichnet ist. Üblicherweise werden Winkel zwischen 15 und 25 angewendet. Kolben 14 sind bei dem hier gezeigten Typ doppelt-wirkend und teilen den Raum innerhalb der Zylinder in zwei Bereiche ein, der erste Bereich wird als Heißkammer 15, der zweite Bereich als Kühlkammer

16 bezeichnet.

Der Wärmetauscherkopf D-I weist einen Kanal 17 auf, der eine direkte Verbindung zu der Heißkammer 15 jedes Zylinders besitzt. Der Kanal

17 ist auch verbunden mit einem Kanal 18, und zwar durch die Leitung 19. Der Kanal 18 weist eine direkte Verbindung mit dem Regenerator D-2 auf, der in Serien schaltung an die Kühleinheit D-3 ang 2 schloss en ist. Letztere ist verbunden mit der Kühlkammer 16 jedes Zylinders.

9 0 9848/05 9 1

ORIGINAL INSPECTED

Ford / US-969 / 24. April 1979

Die thermische Energie gelangt über die Leitung 19 aus der externen Wärmezufuhreinheit E zu den entsprechenden Aggregaten; Luft gelangt über einen Kanal 20 unter Zufuhr von Kraftstoff und Zündung des Gemisches im Zentralbereich 21 des Zylinder kopf es zu den angeführten Bereichen. Einzelheiten einer solchen bekannten Anordnung können beispielsweise der US-PS 3 939 657 entnommen werden.

Es ist für einen guten Wirkungsgrad des Motors wichtig, daß die Wärmetauschereinheit D so konstruiert und angeordnet ist, daß sie in einem möglichst kleinen Raum Platz findet. Außerdem wird dadurch die Möglichkeit für den Motor erhöht, ihn auch unter beengten Plaizverhältnissen zu verwenden. Entsprechend sind daher die Leitungen 19 Üblicherweise ringförmig angeordnet, unmittelbar oberhalb der Zylinder mit den Einrichtungen für die Verbrennung der Gase in der Mitte, so daß nur eine einzige Kraftstoffzufuhreinrichtung notwendig ist. Die Größe des Gehäuses 23 um die Wärmetauscher einheit herum bestimmt die kritische Dimension des Motors, insbesondere in der Querrichtung der Anordnung.

Das Gestänge C weist eine einzige Kurbelwelle auf mit einer Reihe von Bereichen 24, die Abkröpfungen zu den Pleuelstangen 25 darstellen. Lagerflächen sind mit 26 bezeichnet; sie befinden sich an der Kurbelwelle B und sind für jede Pleuelstange 25 vorgesehen. Die Pleuelstangen 25 haben üblicherweise eine Abmessung, die nicht größer ist als die Kolbenstange. Die Pleuelstangen 25 sind mit Kreuzkopfgelenken 27 verbunden, die innerhalb Zylinderbereichen 28 im Kurbelgehäuse längsver echieblich angeordnet sind. Der Zylinderbereich 28, der koaxial mit den Zylindern 11 verläuft, nimmt eine Kolbenstange 29 auf. Eine Ausgleichswelle 30 wird durch ein Zahnrad 31 angetrieben, welches kämmt mit einem Zahnrad 32 auf der Kurbelwelle B. Die Ausgleichswelle kann auch zum Antrieb von Hilfsaggregaten verwendet werden. Da die Kurbelwelle B in ihrer Position festgelegt ist, besteht nur geringer Spielraum für eine wechselnde Anordnung der Ausgleichswelle

9 09848/0591

Ford / US-969 / 24. April 1979

Die Verwendung nur einer Kurbelwelle bei einem Stirlingmotor hat zur Folge, daß die oberen Bereiche der Zylinder 11 in einer quadratischen Konfiguration im Bezug auf ihre Mittellinien 11 a angeordnet sind. So liegen diese Mittellinien in den Ecken eines Quadrates 33 auf einem Kreis 34 (siehe Fig. 3). Die Anordnung auf einem Kreis ist notwendig, um eine gleiche Verteilung der Wärme zu den Zylindern zu erreichen. Da jede der Achsen des Zylinders durch dieKurb el welle B laufen muß, ist es erforderlich, daß die Mittellinien der Zylinder zu einer Mittellinie 35 des gesamten Motors in einem Winkel 36 stehen, wie aus Fig. hervorgeht. Es ist daher nicht nur erforderlich, daß die Zylinder in einer quadratischen Konfiguration angeordnet sind, sondern jede Pleuelstange muß an die Kurbelwelle an einer bestimmten Stelle angeordnet sein. Aus der Fig. 3 geht hervor, daß die Zylinder 11-3 und 11-2 einen Abstand X von der Mittellinie G haben. Die Zylinder 11-1 und 11-4 haben einen Abstand Y, wobei Y größer ist als X, da jede Pleuelstange an eine eigene Kröpfung angeschlossen sein muß. Um nun radiale Symmetrie des Zylinderkopfes zu erhalten, müssen die Zylinder 11-1 und 11-4 einen Abstand X von der Achse der Kurbelwelle B und die Zylinder 11-3 und 11-2 einen Abstand Y von der Achse der Kurbelwelle B besitzen. Die Schnittpunkte der Kröpfungen der Kurbelwelle (a, b, c, d) mit der Achse der Kurbelwelle B weisen keine gleichen Abstände auf. Aus diesen beiden Bedingungen folgt, daß ungleiche Winkel 36 vorliegen müssen, da sonst der Kreis 34 unannehmbar groß ausfallen würde. Der wirkliche Umfang der Zylinderköpfe kann größer oder kleiner als der Durchmesser 38 sein, jedoch weist der Durchmesser 38 auf das grundsätzlich bestehende Dimensionsproblem hin. Eine Reduktion des Winkels 36 würde verschiedene Probleme aufwerfen: Die Zylinder würden nicht mehr in Reihe hintereinander stehen, sie hätten also nicht glei chen Abstand und würden somit nicht in den Eckpunkten eines Quadrates stehen, wodurch eine ungleiche Wärmezufuhr ausgelöst werden würde.

Der erfindungsgemäße Stirlingmotor ist nun in den Fig. 2 und 4 dargestellt. Vergleichbare Teile tragen dabei die gleiche Bezeichnung wie

909843/0591

-St-

■%■

die Anordnung in den Fig. 1 und 3.

Ford / US-969 / 24. April 1979

Wärmeübertragungsrohreim Wärmetauscherkopf D-I tragen die Bezeichnung 40 und sind mit einem Ende 40 a mit der Heißkammer 15 und mit dem anderen Ende 40 b mit dem Regenerator D-2, der Kühleinheit D-3 und der Kühlkammer 16 verbunden. Der externe Verbrennungsraum entspricht den bekannten Einrichtungen.

Der wesentliche Unterschied der Anordnung gemäß der Erfindung zum Stand der Technik besteht in zwei Punkten: a) der Winkel zwischen der Mittellinie der Zylinder 11 a jedes Zylinders 11, mit 41 bezeichnet, zu der Mittelachse 42 ist negativ ausgebildet oder Null; b) die Antriebseinheit 44 ist anders ausgebildet als beim Stand der Technik, nämlich, es finden zwei Kurbelwellen 45 und 46 Verwendung, jede verbunden mit Kolbenstangen 29 durch eine Pleuelstange 47, wobei die oberen Bereiche der Zylinder in den Ecken eines Quadrates 49 angeordnet sind und die Konstruktion so vorgenommen ist, daß ein Paar Kolben 14 a und 14 b mit der Kurbelwelle 46 und ein Paar Kolben 14 c und 14 d mit der Kurbelwelle 45 verbunden sind. Als Folge davon liegen die entsprechenden Einrichtungen (siehe Fig. 4) innerhalb eines kleineren Durchmessers Der Abstand 49 in der Fig. 4 ist dabei gleich dem Abstand 48 zwischen den Kurbelwellen 45 und 46. Alle Zylinder 11 haben nun einen Abstand X von der Linie G. Um eine geometrische Symmetrie des Zylinderkopfes zu erreichen, müssen alle Zylinder einen Abstand X senkrecht zur Mittelachse der Kurbelwellen haben. Obwohl die Achsen der Kurbelwellen 45 und 46 den gleichen Abstand X von G besitzen, ist dieses nicht immer erforderlich, jedoch vorzuziehen. Obwohl der Abstand Y in der Figur 3 größer ist als der Abstand X, ist der Durchmesser des umschließenden Kreises 43 der Anordnung gemäß der Erfindung kleiner und die Anordnung daher kompakter als derStirlingmotor gemäß dem Stand der Technik in den Figuren 1 und 3.

909848/0591

Fo?d / US- 969 / 24. April 1979

Der größere Abstand der beiden Kurbelwellen erlaubt es, den Winkel 41 zwischen der Mittellinie 11 a und der Mittelachse 42 zu Null zu machen oder einen negativen Wert zu wählen. Der Vergleich der Anordnungen zeigt auch, daß die Abmessungen durch die Anwendung der Lehre der Erfindung etwa auf die Hälfte reduziert werden können, was aus einem Vergleich des Durchmessers 43 mit dem Durchmesser 38 hervorgeht. Andere geometrische Verhältnisse bei dem Stirlingmotor gemäß der Erfindung bleiben im Vergleich zu der bekannten Anordnung gleich. Das gilt insbesondere für die Größe der Pleuelstangen und Kolbenstangen.

Beim Stand der Technik gemäß Fig. 1 wird eine Ausgleichswelle benutzt, die durch Zahnräder an die Kurbelwelle angeschlossen ist. Im Gegensatz dazu wird bei einem Stirlingmotor gemäß der Erfindung, wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt, neben der Kurbelwelle 45 eine weitere Kurbelwelle 46 verwendet, die durch einen Verbindungsriemen 49 a über Zahnräder 52 und 53 verbunden sind. Letztgenannte Zahnräder sitzen auf den Kurbelwellen 45 und 46. Dadurch wird nicht nur ein Massenausgleich für die Kurbelwellen geschaffen, sondern es ist auch möglich, für die eigentliche Abtriebswelle drei verschiedene Positionen vorzusehen, und zwar ■ dadurch, daß auch die Achsen der Leerlaufräder 50 und 51 als Abtriebsachsen verwendet werden. Dadurch wird eine zusätzliche Flexibilität geschaffen, die es erlaubt, auch schwierige Anordnungsprobleme des Motors, insbesondere auch bei einem Vorderradantrieb eines Kraftfahrzeuges, zu lösen.

Bei der in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform erlaubt der weite Abstand der beiden Kurbelwellen 45 und 46, daß die Mittellinienll a der Zylinder 11 in derselben Ebene und senkrecht zur Achse der Kurbelwelle liegen können, wodurch es möglich ist, diese Teile in geringem Abstand zueinander anzuordnen. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß der Abstand 49 zwischen den Verbindungen der Pleuelstange 47 zu

909848/05 91

Foid / US-969 / 24. April 1979

• AO-

der einzelnen Kurbelwelle gleich sein kann dem Abstand 48 zwischen den Kurbelwellen selbst. Daraus folgt, daß der Durchmesser 43 der erfindungsgemäßen Anordnung sehr viel kompakter gestaltet werden kann als die Anordnung mit einer Kurbelwelle, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Anordnung gemäß Fig. 4 reduziert sowohl die Längsausdehnung des Motors als auch seine Querausdehnung und erlaubt es somit, den Stirlingmotor insbesondere auch für den Vorderradantrieb von Kraftfahrzeugen zu verwenden. Es ist jedoch auch möglich, in vorteilhafter Weise den erfindungsgemäßen Motor für einen Hinterradantrieb eines Kraftfahrzeuges zu verwenden, ohne daß der Raumbedarf über Gebühr steigt. Die reduzierte Längsausdehnung des Motors resultiert aus der Benutzung des Kurbeltriebes, wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt, wodurch es möglich ist, daß die Ausgangswelle quer zu den Achsen der Kolben verläuft. Kompakte Abmessungen in Querrichtung rühren von der günstigen Anr Ordnung der oberen Bereiche der Zylinder zueinander her und erlauben eine Reduzierung der Abmessungen insbesondere in diesem Bereich.

Im Gegensatz dazu kann beim Stand der Technik, wie er in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist, eine kompakte Bauweise allenfalls in der Longitudinalrichtung des Motors erreicht werden, nicht jedoch in der Querrichtung, da die weit auseinanderliegenden oberen Bereiche der Zylinder dem entgegenstehen. Ein Stirlingmotor, der einen Taumelscheibenantrieb verwendet, weist nicht den gleichen Betrag von kompakter Bauweise auf, obwohl im allgemeinen ein Winkel Null zwischen den Zylinder ach s en und der Mittellinie des Motors vorliegt. Durch die Anordnung des Taumelscheibenantriebes geht jedoch sehr viel an kompakter Bauweise in Longitudinalrichtung verloren, da die Ausgangswelle des Taumelscheibenantriebes koaxial mit der Bewegungsrichtung der Kolben liegt und daher ein zusätzlicher Mechanismus vorgesehen werden muß, um das Ausgangsmoment in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Ein derartiger zusätzlicher Mechanismus verlängert selbstverständlich die Länge des Motors und erhöht die Kosten.

909848/0591

Ford / US-969 / 24. April 1979

• 44·

Verglichen mit einem Stirlingmotor mit Taumelscheibe weist die erfingungsgemäße Anordnung folgende Vorteile auf: Die Achse des Abtriebes mit zwei Kurbelwellen steht senkrecht zur Achse der Kolben, während der Abtrieb der Taumelscheibe parallel zur Achse der Kolben verläuft; weiterhin ist es beim erfindungsgemäßen Abtrieb möglich, in den Abtrieb selbst eine Übersetzung oder eine Untersetzung einzubauen, wobei weiterhin noch die Lage der Abtriebswelle verändert werden kann. Darüber hinaus ist beim Taumelscheibenabtrieb keine Über- oder Untersetzung möglich und die Position des Abtriebes ist festgelegt. Auch kann bei der Anordnung gemäß der Erfindung der Antrieb von Hilfsaggregaten von beiden Seiten des Kurbelwellengehäuses stattfinden, während bei der Verwendung einer Taumelscheibe die Anordnung smöglichkeiten begrenzt sind.

909848/0591

Claims

Ford / ÜS-969 / 24. April 1979 Patentansprüche < Ό ^Ί 8 3 ·\ 7

( 1. j Stirlingmotor, enthaltend eine Anzahl von doppelt-wirkenden Kolben und entsprechenden Zylindern, wobei jeder Kolben über eine Kolbenstange mit einer Kurbelwellenanordnung verbunden ist und die KoIb en/Zylinder anordnung en an thermodynamische Kreisläufe angeschlossen sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Kurbelwellenanordnung besteht aus zumindest einem Paar von parallel zueinander angeordneten Kurbelwellen (45, 46);

b) es sind vier Zylinder angeordnet, deren obere Bereiche einen gleichen Abstand zueinander besitzen und die in den vier Eckpunkten eines Quadrates angeordnet sind, wobei die Zylinder in V-Anordnung zueinander stehen und der Winkel (41) zwischen der Mittelachse (42) des Stirlingmotors und der Mittellinie (11 a) der Zylinder zwischen Null und einem negativen Wert liegt.
2. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Kurbelwelle auf jeder Seite einer Ebene angeordnet ist, die durch die Mittellängsachse des Stirlingmotors verläuft, wobei die Zylinder so angeordnet sind, daß j.eweils zwei Zylinder zu einer Kurbelwelle gehören und die Kolben der Zylinder auf jeder Seite mit einem Paar von Kurbeln der jeweiligen Kurbelwelle verbunden sind und der Abstand der Anlenkung der Kurbeln/Pleuelstangen jeder Kurbelwelle voneinander etwa gleich ist dem Abstand der Kurbelwellen.
3. Stirlingmotor nach Anspruch 1 und 2, dadur ch gekennzeichnet, daß an den Kurbelwellen (45, 46) Zahnräder (52, 53) angeordnet sind, über die ein Steuerriemen (49 a) läuft, wobei der Steuer riemen (49 a) über zwischen den Zahnrädern (52, 53) angeordnete Leerlaufräder

909848/059 1

ORfGiNAL INSPECTED

Ford / US-969 / 24. April 1979

(50, 51) geführt ist.
4. Stirlingmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Kurbelwellen (45, 46) oder eine oder mehrere der Laufräder (50, 51) als Abtriebswelle (n) dient (dienen).
5. Stirlingmotor nach Anspruch 1, bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Gehäuses zur Aufnahme der oberen Teile des Stirlingmotors, beinhaltend die thermodynamischen Einrichtungen, nicht größer ist als 1, 3 mal der Abstand der Anschlüsse der Kolben an die Kurbeleinrichtung zu dem Abstand der Kurbelwellen selbst.

H 0 B 8 k 8 / 0 5 9 1